CN113885412A - 一种实现激光器与mrr稳定输出的双闭环控制结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种实现激光器与MRR稳定输出的双闭环控制结构，包括激光器、MRR微环芯片和双闭环控制系统；双闭环控制系统包括光电探测器一、光电探测器二、微处理器和激光器驱动电路；MRR微环芯片上具有两个监控端，分别用于监控激光器输入MRR微环芯片的光功率和入射光通过微环后的光功率；光电探测器一和光电探测器二分别设置于与其对应的监控端上；微处理器用于接收光电探测器一与光电探测器二采集到的电信号，并进行运算得到反馈比值，当反馈比值大于或者小于设定比值时，微处理器触发激光器驱动电路调整加载在激光器上的工作电流，直到稳定。该结构解决了传统EML方案存在的网络升级投入成本高、功耗大、设备散热困难等难题。

Description

一种实现激光器与MRR稳定输出的双闭环控制结构
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，具体涉及一种实现激光器与MRR稳定输出的双闭环控制结构。
背景技术
随着光纤传输对传输速率和传输距离的要求不断提升，EML激光器因色散代价小、传输距离长的特点被广泛应用。EML激光器（电吸收调制激光器）具有集成度高、速率高、隔离度高等优点，被广泛应用于高速数据传输通信领域，尤其适用于长距离传输DWDM系统。
但是，EML激光器制成的芯片由于制造难度较高，基本被国外厂家垄断。而国内传统的EML方案存在的投入成本高、功耗大、设备散热困难等难题。因此，为了突破国外厂家在EML芯片领域的垄断，填补国内外调制激光器的空白，切实解决传统EML方案存在的投入成本高、功耗大、设备散热困难等难题，助力光接入网络的升级换代，本发明提出了一种实现直接调制激光器+微环谐振腔（MRR）稳定输出的双闭环控制结构的创新方案。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种实现激光器与MRR稳定输出的双闭环控制结构，解决了传统EML方案存在的网络升级投入成本高、功耗大、设备散热困难等难题。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种实现激光器与MRR稳定输出的双闭环控制结构，包括激光器、MRR微环芯片和双闭环控制系统；
所述MRR微环芯片的光输入端与所述激光器通过近场耦合连接；
所述双闭环控制系统包括光电探测器一、光电探测器二、微处理器和激光器驱动电路；
所述MRR微环芯片上具有两个监控端，分别用于监控激光器输入MRR微环芯片的光功率和入射光通过微环后的光功率；所述光电探测器一和所述光电探测器二分别设置于与其对应的监控端上；
所述微处理器用于接收所述光电探测器一与所述光电探测器二采集到的电信号，并对采集到的电信号进行运算得到反馈比值，当反馈比值大于或者小于设定比值时，所述微处理器触发所述激光器驱动电路；
所述激光器驱动电路能够根据所述微处理器的运算结果调整激光器驱动电流，并加载到所述激光器上。
进一步，所述MRR微环芯片上具有三个光输出端，三个所述光输出端分别记为主输出端、监控端一和监控端二；
所述主输出端上设置有透镜；所述光电探测器一设置于所述监控端一上；所述光电探测器二设置于所述监控端二上。
更进一步，所述监控端一用于监测所述MRR微环芯片的光输入端的输入光功率，且所述监控端一的输出光功率是所述光输入端的输入光功率的5%；
所述监控端二用于监测所述入射光通过微环后的光功率。
更进一步，所述光电探测器一用于监测所述MRR微环芯片的光输入端的输入光功率，并将监测的光信号转换为电信号输出给微处理器；
所述光电探测器二用于监测所述入射光通过微环后的光功率，并将监测的光信号转换为电信号输出给微处理器。
进一步，所述激光器驱动电路分别与所述激光器、所述微处理器电连接。
进一步，还包括温度控制系统；所述温度控制系统包括TEC芯片、温度传感器和TEC模拟PID控制电路；
所述温度传感器紧贴于所述激光器，所述激光器与所述MRR微环芯片均设置于所述TEC芯片上；
所述TEC模拟PID控制电路能够接收所述温度传感器的反馈数据，并根据反馈结果进行运算得到输出电流，将输出电流加载到所述TEC芯片上，用于实现对所述TEC芯片表面温度的实时控制。
更进一步，所述TEC模拟PID控制电路分别与所述TEC芯片、所述温度传感器电连接。
更进一步，所述TEC芯片用于控制所述激光器与所述MRR微环芯片的工作温度；
所述温度传感器用于检测所述激光器的实时温度，并将检测结果反愤给所述TEC模拟PID控制电路。
本发明的有益效果：
1、本发明的激光器与MRR微环芯片采用近场耦合连接，比普通的透镜耦合减少2dB的耦合损耗。
2、本发明采用光电探测器一实现激光器的输出光功率的前向监控，与常规背光监控相比更加稳定，不会随温度变化而变化，能够真实的反馈出激光器的输出光功率。另外当环境变化时，可实时监控激光器与MRR微环芯片的耦合情况，看是否发生改变。
3、当激光器输入信号码行发生快速变化时，会导致激光器内核温度快速变化，引起输出光波长发生漂移，使得激光器与MRR微环芯片耦合的整体工作状态发生改变，即MRR微环芯片最佳工作点发生漂移，最终导致通信丢包。为应对该问题，本发明采用微处理器通过光电探测器一和光电探测器二实时采集MRR微环芯片的监控端一和监控端二的输出状态，并对采集到的数据作商处理得到反馈比值，当比值变化时，微处理器快速触动激光驱动器电路，使其快速调整激光器的驱动电流，直到比值稳定则停止动作，从而保证整个系统处于动态稳定中，使得整个系统输出稳定。
4、本发明的温度控制系统采用模拟电路实现，既可以提高环境变化时的相应速度，也不会与微处理器处理数据时产生竞争。而无论环境温度如何变化，TEC模拟PID控制电路都能使激光器和MRR微环芯片一直处于同一恒定稳定的温度平台。
5、本发明解决了传统EML方案存在的网络升级投入成本高、功耗大、设备散热困难等难题。
附图说明
图1为本发明实施例的双闭环控制结构的各控制单元的连线图。
图中：1、激光器；2、MRR微环芯片；21、光输入端；22、监控端一；23、监控端二；24、主输出端；3、光电探测器一；4、光电探测器二；5、微处理器；6、激光器驱动电路；7、TEC芯片；8、温度传感器；9、TEC模拟PID控制电路；10、透镜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，一种实现激光器与MRR稳定输出的双闭环控制结构包括激光器1、MRR微环芯片2、双闭环控制系统和温度控制系统；其中，双闭环控制系统和温度控制系统彼此独立运行，温度控制系统采用模拟电路实现，既可以提高环境变化时的相应速度，也不会与双闭环控制系统的微处理器在处理数据时产生竞争，由此可提高数据处理速度，确保系统高效、稳定的运行。
此处的激光器1指的是在传纤过程中存在脉冲展宽的单纵模半导体激光器，如DFB（分布式反馈）激光器、DBR（分布式布拉格反射）激光器、DML（直接调制）激光器等。
MRR微环芯片2共有一个光输入端21和三个光输出端；MRR微环芯片2的光输入端21与激光器1通过近场耦合连接；比普通的透镜耦合减少2dB的耦合损耗。
三个光输出端分别记为主输出端24、监控端一22和监控端二23。
主输出端24上设置有透镜10；透镜10贴装于MRR微环芯片2的主输出端24的端口外侧。透镜10用于实现将通过MRR微环芯片2的主输出端24的输出光信号转化为平行光。
两个监控端分别记为监控端一22和监控端二23，分别用于监控激光器1输入MRR微环芯片2的光功率和入射光通过微环后的光功率。其中，监控端一22用于监测MRR微环芯片2的光输入端21的输入光功率，且监控端一22的输出光功率是光输入端21的输入光功率的5%；监控端二23是输入光过环后输出光的监控端，用于监控入射光通过微环后的光功率。
双闭环控制系统包括光电探测器一3、光电探测器二4、微处理器5和激光器驱动电路6。
光电探测器一3设置于监控端一22上；光电探测器二4设置于监控端二23上。当然，光电探测器一3和光电探测器二4是贴装在MRR微环芯片2的两个监控端的端口外侧。光电探测器一3用于监测MRR微环芯片2的光输入端21的输入光功率，并将监测的光信号转换为电信号输出给微处理器5；光电探测器二4用于监测入射光通过微环后的光功率，并将监测的光信号转换为电信号输出给微处理器5。
本实施方式中，光电探测器一3能够实现对激光器1的输出光功率的前向监控，与常规背光监控相比更加稳定，不会随温度变化而变化，能够真实的反馈出激光器的输出光功率。
激光器驱动电路6分别与激光器1、微处理器5电连接。具体地，微处理器5与光电探测器一3和光电探测器二4是通过与PCB走线和金丝键合线电连接；微处理器5还通过PCB走线与激光器驱动电路6电连接。激光器驱动电路6与激光器1通过PCB走线和金丝键合线电连接。
微处理器5用于接收光电探测器一3与光电探测器二4采集到的电信号，并对采集到的电信号进行运算得到反馈比值，当反馈比值大于或者小于设定比值时，微处理器5触发激光器驱动电路6；激光器驱动电路6能够根据微处理器5的运算结果调整激光器驱动电流，并加载到激光器1上。其中，激光器驱动电路6一方面为激光器1提供偏置电流，另一方面将调制信号加载到激光器1上。
本实施方式中，当激光器输入信号码行发生快速变化时，会导致激光器内核温度快速变化，引起输出光波长发生漂移，使得激光器与MRR微环芯片耦合的整体工作状态发生改变，即MRR微环芯片最佳工作点发生漂移，最终导致通信丢包。为应对该问题，本发明采用微处理器通过光电探测器一和光电探测器二实时采集MRR微环芯片的监控端一和监控端二的输出状态，并对采集到的数据作商处理得到反馈比值，当比值变化时，微处理器快速触动激光驱动器电路，使其快速调整激光器的Bias电流，直到比值稳定则停止动作，从而保证整个系统处于动态稳定中，使得整个系统输出稳定。
温度控制系统包括TEC芯片7、温度传感器8和TEC模拟PID控制电路9。
温度传感器8紧贴于激光器1，温度传感器8用于检测激光器1的实时温度，并将检测结果反愤给TEC模拟PID控制电路9。此处的温度传感器8应尽量与激光器1贴装的足够近，以确保给TEC模拟PID控制电路9反馈的是激光器1上的实时温度。
TEC芯片7用于控制激光器1与MRR微环芯片2的工作温度。激光器1与MRR微环芯片2均设置于TEC芯片7上；其中，激光器1、MRR微环芯片2、温度传感器8、光电探测器一3、光电探测器二4以及透镜10均贴装在TEC芯片7之上。
TEC模拟PID控制电路9分别与TEC芯片7、温度传感器8电连接。具体地，TEC模拟PID控制电路9与TEC芯片7的TEC+极和TEC-极通过PCB走线和金丝键合线电连接，另外与温度传感器8通过PCB走线和金丝键合线电连接。
TEC模拟PID控制电路9能够接收温度传感器8的反馈数据，并根据反馈结果进行运算得到输出电流，将输出电流加载到TEC芯片7上，用于实现对TEC芯片7表面温度的实时控制。
本发明实施例的温度控制系统采用模拟电路实现，既可以提高环境变化时的相应速度，也不会与微处理器5处理数据时产生竞争。其中，单核微处理器价格远低于多核微处理器，而单核微处理器为单线程处理逻辑，即逐一处理，不能同时处理两个任务。而无论环境温度如何变化，TEC模拟PID控制电路9都能使激光器1和MRR微环芯片2一直处于同一恒定稳定的温度平台。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种实现激光器与MRR稳定输出的双闭环控制结构，其特征在于，包括激光器（1）、MRR微环芯片（2）和双闭环控制系统；
所述MRR微环芯片（2）的光输入端（21）与所述激光器（1）通过近场耦合连接；
所述双闭环控制系统包括光电探测器一（3）、光电探测器二（4）、微处理器（5）和激光器驱动电路（6）；
所述MRR微环芯片（2）上具有两个监控端，分别用于监控激光器（1）输入MRR微环芯片（2）的光功率和入射光通过微环后的光功率；所述光电探测器一（3）和所述光电探测器二（4）分别设置于与其对应的监控端上；
所述微处理器（5）用于接收所述光电探测器一（3）与所述光电探测器二（4）采集到的电信号，并对采集到的电信号进行运算得到反馈比值，当反馈比值大于或者小于设定比值时，所述微处理器（5）触发所述激光器驱动电路（6）；
所述激光器驱动电路（6）能够根据所述微处理器（5）的运算结果调整激光器驱动电流，并加载到所述激光器（1）上。
2.根据权利要求1所述的实现激光器与MRR稳定输出的双闭环控制结构，其特征在于，所述MRR微环芯片（2）上具有三个光输出端，三个所述光输出端分别记为主输出端（24）、监控端一（22）和监控端二（23）；
所述主输出端（24）上设置有透镜（10）；所述光电探测器一（3）设置于所述监控端一（22）上；所述光电探测器二（4）设置于所述监控端二（23）上。
3.根据权利要求2所述的实现激光器与MRR稳定输出的双闭环控制结构，其特征在于，所述监控端一（22）用于监测所述MRR微环芯片（2）的光输入端（21）的输入光功率，且所述监控端一（22）的输出光功率是所述光输入端（21）的输入光功率的5%；
所述监控端二（23）用于监控入射光通过微环后的光功率。
4.根据权利要求3所述的实现激光器与MRR稳定输出的双闭环控制结构，其特征在于，所述光电探测器一（3）用于监测所述MRR微环芯片（2）的光输入端（21）的输入光功率，并将监测的光信号转换为电信号输出给微处理器（5）；
所述光电探测器二（4）用于监测入射光通过微环后的光功率，并将监测的光信号转换为电信号输出给微处理器（5）。
5.根据权利要求1所述的实现激光器与MRR稳定输出的双闭环控制结构，其特征在于，所述激光器驱动电路（6）分别与所述激光器（1）、所述微处理器（5）电连接。
6.根据权利要求1所述的实现激光器与MRR稳定输出的双闭环控制结构，其特征在于，还包括温度控制系统；所述温度控制系统包括TEC芯片（7）、温度传感器（8）和TEC模拟PID控制电路（9）；
所述温度传感器（8）紧贴于所述激光器（1），所述激光器（1）与所述MRR微环芯片（2）均设置于所述TEC芯片（7）上；
所述TEC模拟PID控制电路（9）能够接收所述温度传感器（8）的反馈数据，并根据反馈结果进行运算得到输出电流，将输出电流加载到所述TEC芯片（7）上，用于实现对所述TEC芯片（7）表面温度的实时控制。
7.根据权利要求6所述的实现激光器与MRR稳定输出的双闭环控制结构，其特征在于，所述TEC模拟PID控制电路（9）分别与所述TEC芯片（7）、所述温度传感器（8）电连接。
8.根据权利要求6所述的实现激光器与MRR稳定输出的双闭环控制结构，其特征在于，所述TEC芯片（7）用于控制所述激光器（1）与所述MRR微环芯片（2）的工作温度；
所述温度传感器（8）用于检测所述激光器（1）的实时温度，并将检测结果反愤给所述TEC模拟PID控制电路（9）。
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